El Espacio: la última frontera

El Espacio: la última frontera

Desde que la Humanidad tomó consciencia de su existencia, hace cientos de miles de años, dirigió su mirada al firmamento tratando de entender qué eran aquellas luces que se encendían todas las noches, y que rotaban en la bóveda celeste al paso de las horas y de las estaciones. De alguna manera, desde siempre sospechó que allí estarían las claves de todo: de nuestro origen, de nuestra naturaleza, de nuestro futuro… Y noche tras noche, año tras año, siglo tras siglo, observó las estrellas y fue aprendiendo de ellas. Tuvieron que pasar cientos de miles de años hasta que hemos logrado tener cierta certeza de qué es lo hay más allá de la Tierra. Primero, en nuestra Galaxia, más tarde en otras galaxias, finalmente, hasta los mismos confines en el espacio y en el tiempo del Universo observable.

Pero durante todo este tiempo, la única información que la Humanidad recibió del Cosmos era la radiación electromagnética que le llegaba en forma de luz en el rango visible. En un claro ejemplo de adaptación múltiple, en nuestro planeta se conjugan tres hechos que son esenciales para entender la Historia de la Astronomía:

· En primer lugar, nuestro Sol tiene una temperatura superficial (unos 5.600 K) tal que su máximo de emisión se encuentra a una longitud de onda correspondiente a la luz amarilla. Nuestro Sol es una estrella bastante común, y de hecho estrellas de masa similar (y por lo tanto temperatura y color similares) al Sol son las más abundantes en el Universo.

· La atmósfera de la Tierra tiene una composición tal que deja pasar sin apenas absorción toda la luz procedente del Sol en torno al color de su máxima emisión. La evolución de la vida en la Tierra habría sido muy diferente en caso contrario.

· Tras un largo proceso de adaptación, el ojo humano, como el de la mayoría de los seres vivos, tiene su máxima sensibilidad en el color amarillo.

Gracias a estas circunstancias la Humanidad ha tenido acceso a la visión directa de las estrellas más comunes del Universo desde el principio de los tiempo. Y como siempre ocurre, durante mucho tiempo estuvo convencido de que realmente no había más que aquello que veía.

A lo largo del siglo XX los astrofísicos fueron desentrañando poco a poco los mecanismos por los que las estrellas se formaban, evolucionaban, generaban su luz, morían…. La Física alanzó un nivel de desarrollo tal que se pudo empezar a hacer predicciones fiables de fenómenos que no se podían ver. Así, los teóricos fueron postulando que realmente, además de la luz visible que podíamos ver, el Cosmos debía de ser mucho más rico: había muchos procesos físicos que tenían que emitir en otros rangos del espectro electromagnético.

En la Figura 1 mostramos lo que sería la distribución de energía “media” de todas las fuentes del Universo. En el rango infrarrojo veríamos el Universo frío, el polvo que emite a temperaturas de 200 grados centígrados bajo cero. Sin embargo, en los rangos ultravioleta y en los rayos X y gamma veríamos la emisión de los objetos y regiones más calientes del Universo: estrellas 100 veces más masivas que el Sol, con temperaturas de hasta 100.000 K, regiones donde se producen auténticos cataclismos cósmicos, que calientan el gas hasta varios millones de grados,….. Pero por desgracia, tal y como vemos también en la Figura 1, nuestra atmósfera es opaca a la “luz” que se emite en estos rangos del espectro electromagnético, por lo que no podemos ver absolutamente nada desde la superficie de la Tierra. Nuestra visión del Universo quedaría por lo tanto sesgada, al no poder estudiar todos aquellos fenómenos que emiten en estos rangos del espectro.

Figura 1.- Arriba, distribución de energía media de la radiación electromagnética producida en el Universo. Abajo, esquema de la transparencia de la atmósfera terrestre a distintas energías. La ventana visible ha sido la única a la que la Humanidad ha podido acceder hasta el comienzo de la Era Espacial.

La solución es evidente, pero complicada y muy cara: instalemos nuestros telescopios en el Espacio, fuera de la atmósfera terrestre. De esta manera podremos acceder a toda la emisión electromagnética procedente del Cosmos y, además, evitamos la perturbación en las imágenes que producen las turbulencias atmosféricas.

Hoy en día, toda una flotilla de Observatorios Espaciales escudriñan hasta el último rincón del Universo. Combinando la información que cada rango de energía nos proporciona hemos logrado desarrollar una imagen del Cosmos inmensamente más completa y rica que la que teníamos hasta hace pocos años. Pero llegar hasta este punto no ha sido fácil. Fue necesario el esfuerzo de muchos científicos e ingenieros, en circunstancias con frecuencia muy difíciles, desarrollar cohetes potentes y fiables como los que hoy tenemos.

Breve historia de la astronáutica: los pioneros.

La ambición de volar por el cielo es tan antigua como la Humanidad. Y las ansias por salir fuera de la Tierra y visitar el Espacio Exterior surgieron tan pronto como tuvimos consciencia de su existencia. Son dos los problemas principales que debemos resolver:

· Fuera de la atmósfera nos encontramos con un vacío casi perfecto.

· Vencer el campo gravitatorio terrestre requiere mucha energía (muchísima, de hecho).

El primer problema no es muy grave. Desde hace mucho tiempo sabemos construir vehículos y escafandras herméticos como los usados en submarinismo. Y además, un telescopio y sus detectores pueden funcionar perfectamente en el vacío. De hecho, funcionan mejor en vacío hasta el punto de que en Tierra tenemos que construir cámaras de vacío para instalar los detectores más sofisticados.

El segundo problema sí es más serio. Además de la gran cantidad de energía que precisamos para salir al Espacio, una vez allí no existe aire, por lo que necesitaremos motores a reacción especialmente eficientes. El desarrollo de estos motores llevó cerca de medio siglo a la Humanidad. Esto da muestra de la complejidad del problema.

Los antecedentes más antiguos los tenemos en los cohetes de pólvora inventados por los chinos hacia el siglo XIII, que utilizaban como fuegos de artificio. Estos primitivos cohetes de pólvora son los precursores de los modernos cohetes de combustible sólido (boosters) que equipan los lanzadores actuales. Pero los cohetes de pólvora no se pueden controlar: una vez encendidos no se puedan ajustar ni apagar.

Figura 2.- Grabado chino del siglo XVI mostrando una primera nave propulsada por cohetes.

Así lo entendió el ruso Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky (1875-1935), que fue el primero en estudiar seriamente el problema del transporte espacial:

· Propuso la utilización de cohetes para viajar por el espacio.

· Elaboró la teoría básica de los cohetes y de los combustibles líquidos.

· Diseñó la primera nave interplanetaria, con unos fundamentos que siguen siendo válidos hoy en día.

Figura 3.- Konstantin E. Tsiolkovsky.

El primero en desarrollar sus teorías fue el estadounidense Robert Hutchings Goddard (1882-1945). El 16-03-1926 construyó el primer cohete de combustible líquido, que alcanzó 12.5 metros de altura!. De alguna manera, ese día nació la Astronaútica Moderna, que reconoce a Goddard como su pionero. Típico inventor americano de principios del siglo XX, Goddard no alcanzó apenas reconocimiento hasta su muerte a mediados del los años 40, cuando el ejército comenzó a darse cuenta de la trascendencia de su invento.

Figura 4.- Robert H. Goddard con su primer cohete en 1926. “El sueño de ayer es la esperanza de hoy y la realidad de mañana”.

Para entonces ya era muy tarde. La Alemania de los años 20-30 vivió un extraordinario desarrollo científico y tecnológico, a pesar de las penurias de la época. Un grupo de ingenieros llenos de sueños y ambiciones se agruparon en torno a la “Verein für Raumschiffahrt” (Sociedad para la Navegación Espacial), auténtico vivero de ingenieros aeroespaciales. Su objetivo era claro: llegar a la Luna. Algo que en aquella época podía sonar a fantasía, pero que estos científicos se tomaron con total determinación. Destacaron entre ellos dos nombres. El primero fue Hermann Oberth (1894-1979), quien resolvió los problemas técnicos del viaje espacial, diseñó el primer prototipo de transbordador espacial y construyó numerosos cohetes en los años 30.

Figura 5.- Hermann Oberth en primer plano. Tras él, de izquierda a derecha, Ernst Stuhlinger, Holger Toftoy, Wernher von Braun y Robert Lusser.

El segundo fue Wernher von Braun (1912-1977). Catalizó todos los desarrollos de la Alemania de los años 30. El ejército alemán, al contrario del desprecio que había manifestado el americano, vio rápidamente el potencial de estos nuevos cohetes, y dio un cheque en blanco a von Braun para continuar sus trabajos. En pocos años von Braun desarrolló el primer cohete efectivo y construido a gran escala: el A4. Desgraciadamente, es más conocido como V2 (la V viene del término alemán para “exterminio”). Más de 5.000 fueron fabricados, muchos de los cuales transportaron su carga letal contra ciudades como Londres. Tras la guerra, el ejército alemán le dio asilo a él y a su equipo, a cambio de que desarrollaran cohetes para ellos.

Cuando años más tarde NASA necesitaba desesperadamente quien desarrollara un cohete capaz de llegar a la Luna, von Braun vio cómo de nuevo le entregaban un cheque en blanco, esta vez para su objetivo soñado: el viaje espacial. Y lo aprovechó. En muy pocos años desarrolló el Saturno V, el cohete más grande, potente y fiable que se haya construido jamás. Del reto que materializó von Braun podemos hacernos idea al ver cómo ahora los viejos diseños del Saturno V están siendo actualizados para los motores de los nuevos cohetes de EEUU, los Ares, con el objetivo de volver a la Luna en un futuro aún muy lejano. Que von Braun pusiera a punto los Saturno V en menos de 7 años, con la tecnología de mediados de los 60, es algo que aún hoy causa asombro!.

Figura 6.- W. von Braun en 1932 trasladando unos cohetes de prueba en Berlin.

Figura 7.- El cohete Saturno V en la rampa de lanzamiento.

Si Von Braun fue el artífice del desarrollo de la astronaútica en Occidente (Alemania, primero, EEUU después), Serguei Pavlovich Korolev (1907-1966) fue el gran pionero en la Unión Soviética. Su historial es impresionante:

Figura 8.- Serguei P. Korolev en los años 60 del siglo XX.

Al igual que en el caso americano, aprovechó la financiación casi ilimitada que le proporcionó el Ejército Rojo para desarrollar su sueño: salir al Espacio. Desarrolló en los años 50 el lanzador R7 para el Ejército, que lo empleó como primer misil balístico intercontinental. Pero los objetivos de Korolev iban mucho más allá: había diseñado el R7 con suficiente potencia como para salir de la atmósfera terrestre. Los años siguientes fueron una cadena de éxitos consecutivos: en 1957 se lanzaría el Sputnik, el primer satélite articial, en 1961 voló el primer comsonauta, Yuri Gagarin, y en 1963 lo haría la primera cosmonauta, Valentina Tereschkova. En 1965 A. Leonov protagonizó el primer paseo espacial fuera de una nave. En aquella época Korolev trabajaba intensamente en el N1, el equivalente al Saturno V de von Braun, que permitiría la llegada a la Luna de los cosmonautas soviéticos.

Figura 9.- Lanzador R7, desarrollado por S. Korolev en los años 50.

Pero el N1 no llegó a funcionar bien y los cuatro lanzamientos de prueba fracasaron. Korolev moriría al poco tiempo, y el programa ruso de llegar a la Luna fue abandonado a favor de la iniciativa americana. Pero la memoria de Korolev sigue viva hoy en día: las cápsulas Soyuz que él diseñó, con tan sólo algunos cambios, siguen garantizando el acceso al Espacio de los cosmonautas rusos. Y los potentes lanzadores Proton y Soyuz de hoy en día están basados en buena medida en la tecnología que desarrolló Korolev en los años 50 y 60, con su regla de cálculo manual como única herramienta de computación.

Figura 10.- El cohete N1, que nunca llegó a utilizarse.

Tal y como hemos visto, a mediados de los años 60 del siglo XX la tecnología ya estaba madura: tanto en EEUU como en la Unión Soviética se fabricaban de manera rutinaria cohetes de tamaño medio capaces de salir al Espacio. Aunque la principal motivación para el desarrollo de esta tecnología había sido militar, los científicos estaban al acecho: se les presentaba una oportunidad única. Así, en 1958, la instrumentación que llevaba el Explorer 1, el primer satélite americano, permitió a James van Allen descubrir los cinturones de radiación alrededor de la Tierra que llevan su nombre.

A partir de aquel momento el progreso fue imparable, especialmente en el campo de la Astrofísica de Altas Energías. Hasta comienzos de los años 60 tan sólo se sabía que el Sol era una fuente de rayos X. Más allá, se desconocía todo, aunque los estudios teóricos predecían que numerosos objetos cósmicos debían ser emisores de rayos X y gamma. En 1962, Ricardo Giaconni y su equipo descubrieron la primera fuente más allá del Sistema Solar: la denominaron Sco X-1, por encontrarse en la constelación del Escorpión. La emisión era, de hecho, mucho más intensa que lo que se había predicho hasta entonces. Hoy en día sabemos que se trata de un sistema binario, en el que una estrella evolucionada orbita alrededor de una estrella de neutrones, los restos de una estrella masiva que consumió ya todo su combustible nuclear. El material de la estrella secundaria acaba cayendo sobre la superficie de la estrella de neutrones, calentándose hasta una temperatura de 1 millón de grados, por lo que emite copiosa radiación X. Espoleados por el descubrimiento de Sco X-1 prácticamente todas las misiones que volaron posteriormente incluyeron algún detector de rayos X o gamma, tal y como se puede ver en la figura 11.

Figura 11.- Listado de todas las misiones espaciales que equiparon algún instrumento de altas energías en los primeros 20 años de la Era Espacial.

El resultado fue espectacular: A finales de los años 60 se habían identificado ya más de 70 fuentes emisoras de rayos X, que se convertirían en 700 a finales de los 70, en 8.000 a finales de los 80, hasta las 220.000 a comienzos del siglo XXI. Hoy en día se conocen cerca de 1 millón de fuentes de rayos X, y esperamos haber identificado hasta 3 millones al terminar esta década. R. Giaconni recibió el premio Nobel por su contribución a la Astrofísica de Altas Energías.

Tras la aventura de llegar a la Luna a finales de los años 60, la tecnología espacial se orientó hacia retos más próximos, pero más útiles. Por una parte se desarrollaron estaciones orbitales capaces de ser habitadas durante largos periodos de tiempo, hasta llegar a la Estación Espacial Internacional cuya construcción se está completando estos días. Por otra parte de desarrollaron sistemas de transporte más asequibles, como las lanzaderas americanas (los famosos “shuttle”), que pueden ser reutilizadas numerosas veces. No obstante, incluso estas naves se han quedado ya obsoletas, y serán reemplazadas a mediados de la próxima década por los nuevos lanzadores Ares y las cápsulas Orion, basadas en la tecnología que se desarrolló para las misiones Apollo en los años 60. Rusia, por su parte, sigue confiando su salida al Espacio a sus robustas y fiables naves Soyuz, cuyo diseño, aunque actualizado, mantiene los elementos básicos que desarrollara Korolev hace más de 40 años.

Figura 12.- La lanzadera Discovery anclada en la Estación Espacial Internacional.

La era de los grandes observatorios espaciales

Tal y como hemos visto, en los años 60, 70 y 80 del pasado siglo se lanzaron numerosas misiones espaciales equipadas de detectores astronómicos que cubrían prácticamente todos los rangos de energía. Merece la pena destacar los observatorios Einstein e IUE (International Ultraviolet Explorer) que nos proporcionaron una primera visión bastante completa de la emisión en rayos X y en el rango ultravioleta de los objetos del Cosmos, respectivamente. La misión IUE resultó especialmente importante para el desarrollo de la Astrofísica en España. Se trataba de una misión en colaboración entre NASA, ESA y la agencia británica SERC. Una de las estaciones de seguimiento y operación se instaló en Villafranca del Castillo, cerca de Madrid, y se abrió en 1978. Durante casi 19 años se controló desde allí el satélite, recibiéndose los datos en tiempo real desde la sala que constituía el “Observatorio IUE”. Muchos de los que estudiábamos Astrofísica en Madrid por aquella época aprendimos los secretos de la Astrofísica Espacial con el IUE. Nuestro Centro de Astrobiología (CAB), mantiene aún en sus instalaciones de Villafranca (en el LAEFF), el archivo con los datos que obtuvo el IUE, que siguen siendo consultados por miles de investigadores de cualquier lugar del mundo.

El gran avance de la Astrofísica Espacial vendría a comienzos de los años 90. NASA decidió construir lo que denominaron Grandes Observatorios Espaciales, una serie de misiones de larga duración que debían proporcionar acceso a todo los rangos del espectro electromagnético. En abril de 1990, tras superar numerosos problemas y retrasos causados por el accidente fatal de la lanzadera Challenger en 1986, fue lanzado el Telescopio Espacial Hubble (HST). Habría que esperar hasta 1993 para que se pudiera corregir un error de pulido en sus espejos que impedía obtener imágenes nítidas, pero una vez resuelto el problema el HST ha cambiado nuestra forma de contemplar el Universo. Curiosamente, el HST trabaja sobre todo en el rango óptico, en el que nuestra atmósfera es transparente. Pero su localización por encima de la misma evita todas las distorsiones que provocan las turbulencias atmosféricas, logrando obtener imágenes de increíble nitidez, como la que mostramos en la figura.

Figura 13.- NGC 6302, la nebulosa mariposa, obtenida tras la última puesta a punto del HST.

Las imágenes del HST se han convertido de hecho en la imagen que la mayoría de la gente conoce de cómo es el Universo que nos rodea. Una completa galería puede encontrarse en http://hubblesite.org/gallery/ . Si el HST nos enseñó detalles hasta entonces insospechados, ha sido su combinación con los otros Grandes Observatorios espaciales lo que ha revolucionado nuestro conocimiento del Cosmos: Compton GRO (rayos gamma), Chandra (rayos X) y Spitzer (infrarrojo) completan todo el espectro electromagnético.

Figura 14.- La galaxia del Sombrero en rayos X, luz visible e infrarrojo.

Figura 15.- Centauro A en rayos X, radio y luz visible.

Las imágenes de la galaxia del Sombreo y de Centauro A nos muestran hasta qué punto nuestra visión del Universo quedaría sesgada si nos limitáramos a la luz visible.

Europa no se quedó atrás. La Agencia Espacial Europea (ESA) también ha desarrollado en los últimos años una serie de potentes observatorios espaciales que complementan los puestos a punto por NASA. Son las misiones XMM-Newton (rayos X), INTEGRAL (rayos gamma) y Herschel (infrarrojo), las tres en operación en la actualidad, de las que puede decirse que son las más potentes en su rango que se han construido jamás. De hecho, el telescopio de 3.5 metros de diámetro del Telescopio Infrarrojo Herschel es el mayor telescopio jamás lanzado al Espacio. Debemos sentirnos orgullosos de ver que los astrofísicos españoles han participado de manera muy significativa en el desarrollo de estas misiones, liderando incluso la cámara óptica a bordo de INTEGRAL. Los avances que se han producido en España en los últimos 20 años han sido espectaculares en este sentido, gracias al ímpetu de nuestros investigadores y al apoyo de las sucesivas administraciones que han financiado estos programas.

Figura 16.- M101 en el óptico (gris) y en rayos X observado por XMM-Newton.

Figura 17.- Emisión a 511 keV en la región del Centro Galáctico, obtenida mediante INTEGRAL. La emisión de 511 keV se produce al aniquilarse la materia (electrones) con la antimateria (positrones). Esta imagen permite identificar las regiones de nuestra Galaxia donde se está produciendo antimateria de manera activa.

Figura 18.- Imagen de la galaxia M51 recientemente obtenida mediante el instrumento PACS a bordo del observatorio Herschel.

Sin lugar a dudas podemos afirmar que estamos viviendo la Edad de oro de la Astrofísica Espacial. Por primera vez podemos observar el Universo tal y como es, tanto sus regiones más frías como aquellas más calientes, y con un nivel de detalle que hace tan sólo unos años habrían parecido un sueño.

El futuro

Pero a los astrofísicos nos gusta soñar y escudriñar los secretos que guarda el Universo, y por eso siempre queremos ir un poco más allá. Desarrollar un nuevo observatorio espacial lleva mucho esfuerzo y mucho tiempo. Equipos muy avanzados con científicos e ingenieros de varios países tienen que trabajar codo con codo durante cerca de 10 años para poder materializar estos proyectos. Hoy en día estamos trabajando ya de manera muy intensa en las misiones que volarán a lo largo de la próxima década, e incluso estamos pensando ya en las queremos desarrollar para la década de 2020 y más allá. Mencionaremos sólo algunas de las misiones más significativas:

Figura 19.- El James Webb Space Telescope (JWST NASA/ESA), con un espejo de 6.5 m de diámetro será el mayor telescopio espacial a partir de 2014.

· La próxima década comenzará con el lanzamiento de GAIA, una misión de la ESA cuyo objetivo es identificar y caracterizar más de 1.000 millones de estrellas de nuestra Galaxia (todas las que se pueden ver desde la Tierra!).

· Poco después, una nave europea llevará un satélite ruso y otro japonés hasta Mercurio, cuya superficie estudiará con sumo detalle tratando de conocer cómo se formó el Sistema Solar, y, por ende, cómo se formó la Tierra.

· Hacia 2014, NASA y ESA lanzarán el James Webb Space Telescope (http://www.jwst.nasa.gov/ ). Con su telescopio de 6.5 metros de diámetro será de alguna manera el sucesor del HST. Su objetivo principal está claro: llegar a observar las primeras estrellas que se encendieron en la historia del Universo, hace unos 13.000 millones de años. Si lo consigue habremos llegado al límite del Universo observable: antes (más allá) no había estrellas, ni galaxias, ni luz, tan solo una sopa cósmica resultante de la Gran Explosión con la que todo comenzó, y cuyo fulgor hemos podido detectar ya con misiones como WMAP (NASA) y Planck (ESA).

· La evolución del Universo es compleja, y de lo poco que sabemos es que parece estar dominada por lo que llamamos Energía Oscura, de la que no sabemos casi nada. EUCLID (ESA) o JDEM (NASA) estudiarán sus propiedades a partir de 2016, y nos permitirán conocer mejor el Universo en que vivimos.

· Para la segunda mitad de la década PLATO (ESA) nos permitirá encontrar otros planetas como la Tierra, orbitando en torno a estrellas como el Sol. ¿Habrá vida allí? A partir de 2025 tal vez lo podamos saber, cuando mandemos alguna de las misiones aún en estudio que podrán medir la composición química de las atmósferas de estos planetas, a la búsqueda de trazadores de actividad biológica. Y si encontramos vida, ¿qué haremos después? Aún no lo sabemos, pero es seguro que ya habrá científicos e ingenieros estudiando cómo estudiar esas posibles formas de vida a partir de 2030.

· A finales de la próxima década es posible que se lance una de las misiones más ambiciosas que el hombre haya diseñado jamás: LISA, el primer telescopio de ondas gravitacionales. LISA no observará radiación electromagnética, sino ondas gravitacionales cuya existencia predice la Relatividad General. LISA nos permitirá estudiar fenómenos en los que la Gravedad es el protagonista, como los agujeros negros y, sobre todo, nos permitirá adentrarnos hasta los primeros momentos tras la Gran Explosión, cuando el Universo era opaco a la radiación electromagnética.

Entre tanto, toda una flotilla de naves automáticas recorren los confines del Sistema Solar, haciendo descubrimientos sorprendentes (océanos de agua bajo el manto de hielo de Europa, lagos de metano en Titán, barrancos helados en Marte). El Espacio constituye sin duda la última frontera para la Humanidad. Hace ya 40 años que el Hombre llegó a la Luna, y probablemente volvamos dentro de poco. Pero nuestro próximo objetivo brillaba con fuerza en el firmamento este verano: en pocas décadas llegaremos a Marte y estudiaremos en detalle qué pasó con sus antiguos océanos de agua líquida, y si alguna vez albergaron seres vivos similares a los que se desarrollaron en la Tierra.

AUTOR >> J. Miguel Mas Hesse
Jesús Martín-Pintado
Centro de Astrobiología (CSIC-INTA)